Numerical investigation of the effect of using seismic isolators and viscous dampers on earthquake behavior in reinforced concrete buildings

Abstract

Seismic-resistant building design is a critical aspect of civil engineering aimed at minimizing structural damage and loss of life. Passive control systems significantly reduce loss of life and structural damage. However, studies on the combined use of these systems are limited. In this study, structural control systems used in reinforced concrete buildings were examined and the effects of using combined different systems on earthquake responses were compared. A 10-story reinforced concrete building was modeled with fixed support, fixed support + viscous dampers, seismic isolation, and seismic isolation + viscous dampers. Nonlinear time-history analyses were conducted using the Turkish Seismic Code and SAP2000 software. The results demonstrate that combining seismic isolators and viscous dampers significantly reduces both story displacements and inter-story drifts. Considering the relative floor displacements, a decrease of more than 30% was observed in structures where viscous dampers and seismic isolators were combined, compared to structures with only viscous dampers. Structures utilizing seismic isolation systems demonstrate a significant reduction in floor acceleration values compared to structures employing viscous dampers. Furthermore, it has been observed that these systems have a significant individual impact on all considered parameters.

Keywords

• Reinforced concrete structures
• Passive control systems
• Lead rubber bearing
• Viscous damper

Betonarme binalarda sismik izolatör ve viskoz sönümleyici kullanılmasının deprem davranışına etkisinin nümerik olarak incelenmesi

Öz

Depreme dayanıklı bina tasarımı, yapısal hasarı ve can kaybını azaltmayı amaçlayan inşaat mühendisliğinin kritik bir alanıdır. Pasif kontrol sistemleri can kaybını ve yapısal hasarları önemli ölçüde azaltmaktadır. Ancak bu sistemlerin birlikte kullanımı üzerine yapılan çalışmalar oldukça sınırlıdır. Bu çalışmada, betonarme binalarda kullanılan yapısal kontrol sistemleri incelenmiş ve farklı sistemlerin birlikte kullanılmasının deprem tepkileri üzerindeki etkileri karşılaştırılmıştır. 10 katlı bir betonarme bina için ankastre mesnetli, ankastre mesnet + viskoz sönümleyicili, sismik izolatörlü ve sismik izolatörlü + viskoz sönümleyicili sistemler modellenmiştir. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’ne uygun olarak SAP2000 programında gerçekleştirilmiştir. Bulgular, sismik izolatörlerin ve viskoz sönümleyicilerin birlikte kullanımının kat deplasmanlarını önemli ölçüde azalttığını ortaya koymaktadır. Göreli kat deplasmanları dikkate alındığında, viskoz sönümleyicilerin ve sismik izolatörlerin birlikte kullanıldığı yapılarda, sadece viskoz sönümleyicili yapılara göre %30’dan fazla azalma gözlemlenmiştir. Sismik izolatör sisteminin kullanıldığı yapı sistemleri, kat ivme değerleri açısından viskoz sönümleyici kullanılan yapı sistemlerine kıyasla daha fazla azalma sağlamaktadır. Ayrıca, bu sistemlerin dikkate alınan tüm parametreler üzerinde tekil olarak da etkili olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Betonarme binalar
• Pasif kontrol sistemleri
• Kurşun çekirdekli kauçuk izolatör
• Viskoz sönümleyici

References

1. O. İnce, Structural damage assessment of reinforced concrete buildings in Adıyaman after Kahramanmaraş (Türkiye) Earthquakes on 6 February 2023. Engineering Failure Analysis, 156, 107799, 2024. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107799
2.   A. Özmen, O. İnce, Ö.F. Taş, M. Atar, O.E. Ozbulut, E. Sayın, Seismic performance assessment of structures in Malatya Province after 6 February 2023 Turkey earthquake sequences. Natural Hazards, 1-34, 2024. https://doi.org/10.1007/s11069-024-07017-x
3.   A.R. Zare, M. Ahmadizadeh, Design of passive viscous fluid control systems for nonlinear structures based on active control. Journal of Earthquake Engineering, 23(6), 1033-1054, 2019. https://doi.org/10.1080/13632469.2017.1342295
4.   M. Komur, T. Karabork, I. Deneme, Nonlinear Dynamic Analysis of Isolated and Fixed-Base Reinforced Concrete Structures. Gazi University Journal of Science, 24(3), 463-475, 2011.
5.   C. Zhang, A. Ali, L. Sun, Investigation on low-cost friction-based isolation systems for masonry building structures: Experimental and numerical studies. Engineering Structures, 243, 112645, 2021. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112645
6.   A.H. Deringöl, E.M. Güneyisi, Influence of nonlinear fluid viscous dampers in controlling the seismic response of the base-isolated buildings. Structures, 34, 1923-1941, 2021. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.08.106
7.   M.C. Constantınou, M.D. Symans, Seismic response of structures with supplemental damping. The Structural Design of Tall Buildings, 2(2), 77-92, 1993. https://doi.org/10.1002/tal.4320020202
8.   Z. Germen, Yapısal kontrol sistemleri. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.

9.   T. Işık, Yapılarda sürtünmeli elemanlar ile viskoz sönümleyicilerin birlikte uygulanması. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006. http://hdl.handle.net/11527/6941
10. A. Ras, N. Boumechra, Study of nonlinear fluid viscous dampers behaviour in seismic steel structures design. Arabian Journal for Science and Engineering, 39, 8635-8648, 2014. https://doi.org/10.1007/s13369-014-1460-5
11. M. Mohebbi, M. Noruzvand, H. Dadkhah, K. Shakeri, Direct displacement-based design approach for isolated structures equipped with supplemental fluid viscous damper. Journal of Building Engineering, 45, 103684, 2022. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.1036
12. D. Öztürk, Viskoz sönümleyici elemanların mevcut bir okul yapısının sismik davranışı üzerindeki etkileri. Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2022. https://hdl.handle.net/11499/39687
13. J.W. Jung, M.K. Kim, J.H. Kim, Experimental study on the floor responses of a base-isolated frame structure via shaking table tests. Engineering Structures, 253, 113763, 2022. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.113763
14. M. Dolce, D. Cardone, F.C. Ponzo, Shaking‐table tests on reinforced concrete frames with different isolation systems. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 36(5), 573-596, 2007. https://doi.org/10.1002/eqe.642
15. M. Dikmen, Deprem etkisindeki bitişik binalarda çarpışma etkisini önlemek için viskoz sönümleyicilerin optimum tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017.
16. E. Sansarcı, Yapısal kontrol sistemleri ve sıvı sönümleyicilerin yapılarda kullanımı. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002.
17. Ü. Aldemır, E. Aydın, An active control algorithm to prevent the pounding of adjacent structures. In: Vibration Problems ICOVP 2005. Springer Netherlands, 33-38, 2007. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5401-3_7
18.   W.H. Robinson, A.G. Tucker, A lead-rubber shear damper. Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering, 10(3), 151-153, 1977. https://doi.org/10.5459/bnzsee.10.3.151-153
19. I. Skinner, W.H. Robinson, G.H. McVerry, An Introduction to Seismic Isolation; John Wiley and Sons Inc, 1993, New York, NY, USA.
20. B. Çakıl, Betonarme Bir Dubleks Binanın Sismik İzolasyonsuz ve İzolasyonlu Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2023.
21. M. Çağlar Camgöz, Taban İzolasyonlu Sistemler. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002. http://hdl.handle.net/11527/10854
22. E. Sevim, Sismik İzolatörlerin Bina Türü Yapıların Dinamik Davranışına Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016.
23. G.P. Warn, K.L. Ryan, A review of seismic isolation for buildings: historical development and research needs. Buildings, 2(3), 300-325, 2012. https://doi.org/10.3390/buildings2030300
24. T. Toprak, Burulma Düzensizliği Olan Yapılarda Sismik İzolasyon Kullanımının Deprem Yükleri Altındaki Davranışa Olan Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012. http://hdl.handle.net/11527/6643
25. F. Naeim, J.M. Kelly, Design of Seismic Isolated Structures, John Wiley & Sons Inc, 1999, USA.
26. TBDY, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara.
27. Z. Kanbir, C. Alhan, G. Özdemir, Üstyapı sönüm oranının deprem etkisindeki kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimli binalardaki etkilerinin araştırılması. Politeknik Dergisi, 25(2), 655-665, 2022.
28. E. Güngör, E. Yıldırım, K.E. Demirhan, Köprülerde Kullanılan Kurşun Çekirdekli Kauçukizolatörler İçin Ce Sertifikalandırılması ve Üretim Kontrol Değerlendirilmesi. 4. Köprüler ve Viyadükler Sempozyumu, 1-2 Kasım, 2019, Ankara.
29. S.S. Tezcan, A. Erkal, Seismic base isolation and energy absorbing devices. Yüksek Öğrenim Eğitim ve Araştırma Vakfı, 2002.
30. D. Lee, D.P. Taylor, Viscous damper development and future trends. The structural design of tall buildings, 10(5), 311-320, 2001. https://doi.org/10.1002/tal.188
31. M. D. Güler, Üç Katlı Çelik Bir Yapının Performansının Belirlenmesi ve Viskoz Sönümleyiciler İle Güçlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015. http://hdl.handle.net/11527/13861
32. Y. Durgun, Mevcut betonarme yapıların deprem performanslarının belirlenmesi ve viskoz akışkanlı sönümleyiciler ile güçlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016. http://hdl.handle.net/11527/25572.
33. H.K. Mıyamoto, A.S. Gılanı and A Wada. State of the art design of steel moment frame buildings with dampers. Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering. pp. 12-17, Beijing, China, 2008.
34.   SAP2000. Integrated finite element analysis and design of structures, Computers and Structures Inc., Berkeley, California, USA.
35.   Taylor Devices. Taylor Fluid Viscous Damper C-Values Datasheet, North Tonawanda, NY 14120, https://www.taylordevices.com/
36.   Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı. Türkiye Deprem Tehlike Haritaları İnteraktif Web Uygulaması. Erişim tarihi: 01.04.2020. https://tdth.afad.gov.tr/TDTH/main.xhtml
37.   SeısmoArtıf. A Computer Program for Generating Artificial Earthquake Accelerograms Matched to a Specific Target Response Spectrum. 2020. https://seismosoft.com/products/seismoartif/
38.   K.Ö. Çetin, M Ilgaç, G Can, E Çakır, B Söylemez. Preliminary report on engineering and geological effects of the January 24, 2020 magnitude 6.7 earthquake in Elaziǧ, Turkey, 2020.
39.   E Çakır, K.Ö. Çetin, M Ilgaç, G Can, A Elsaid, B Söylemez, F Cuceoglu, Z Gülerce, S Aydin, A Askan, M Gor. Geotechnical aspects of reconnaissance findings after 2020 January 24th, M6.8 Sivrice–Elazig–Turkey earthquake. Bulletin of Earthquake Engineering,